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本书系统地阐述了热物理学的基本内容，全书分为热现象与热物理学、热力学第零定律和温度、热力学第一定律和内能、热力学第二定律和熵、麦克斯韦-玻尔兹曼分布、输运过程的分子动力学基础、物态与相变共7章。采用了先介绍宏观理论再阐述微观理论的做法，这更符合初学者由现象到本质的认识过程。全书融入了人文素养、科学素养、科学精神和科学方法四个方面的基本要素，全面提升学生的基本素养。 本书可作为高等学校物理学专业、应用物理学专业、理科大类相关专业的教材和参考书。

第1章热现象与热物理学pan>

11热力学是宏观热现象规律结pan>

12热运动与热现象的微观理论3

121物质由大量的分子或原子组成3

122分子的热运动及其实验事实4

123分子间存在相互作用力6

124热物理学的三种理论8

13热学研究的对象8

14状态参量与状态公理10

15数学知识补充12

151全微分概念及特12

152概率简介15

第2章热力学第零定律和温度23

21温度和热力学第零定律23

22温标的建立27

221经验温标28

222理想气体温标32

223热力学温标32

224温标33

23状态方程34

231理想气体的状态方程35

232混合理想气体的状态方程36

233实际气体的状态方程38

234固体、液体的状态方程39

第3章热力学定律和内能43

31准静态过程44

32的形式传递能量45

321位45

322绝和内能 48

33以热量的形式传递能量50

331热容量5pan>

332热的简史52

333热还？53

34热力学定律54

35理想气体内能和焓56

351焓的定义56

352理想气体的内能57

353理想气体的焓58

354迈耶公式59

36理想气体的绝热过程60

37稳流过程63

371涡轮机65

372节流阀65

373焦耳-汤姆逊实验65

第4章热力学定律和熵74

41循环过程和热机74

411循环和效率75

412热力学发展简史77

413卡诺循环79

414实际的热机80

42可逆过程和不可逆过程83

43热力学定律的两种表述85

44卡诺定理88

45热力学温标9pan>

46可逆绝热过程的93

47克劳修斯不等式94

48熵97

481熵是状态函数97

482熵的计算99

483熵增加原理10pan>

484温-熵图103

485热力学恒等式104

486自由能与吉布斯函数104

49热力学定律及熵的统计意义106

491不可逆的微观解释107

492玻尔兹曼熵109

第5章麦克斯韦-玻尔兹曼分布115

51理想气体微观模型115

52理想气体的压强公式与温度的统计解释117

53麦克斯韦速度分布律及其应用120

531速度空间120

532速度分布12pan>

533速率分布122

534压强公式的重新推导124

535单原子气体的麦克斯韦分布(1860年的证明)126

536麦克斯韦速率分布129

54玻尔兹曼分布律133

55麦克斯韦速率分布的实验验证136

56能量按自由度均分定理139

第6章输运过程的分子动理论学基础15pan>

61气体均自由程15pan>

611碰撞截面152

61均自由程153

62热传导现象及其微观解释155

621热传导现象的宏观规律155

622气体导热系数的微观机理157

63黏滞现象及其微观解释158

631黏滞力的宏观规律158

632气体黏滞系数微观机理160

64气体扩散现象及微观解释162

641气体扩散的实验规律162

642气体扩散系数的微观机理163

65关于三种输运系数的讨论163

651理论与实验结果的比较163

652低压下气体的黏滞现象和热传导164

第7章物态与相变167

71固体167

711晶体的结构167

712固体中的化学键170

713晶体中的热运动173

714非晶态固体174

72液体175

721液体的结构176

722液体的体热物理质177

723液体的表面质180

73相与相变186

731相与相图186

732潜热188

733化学势与吉布斯-杜亥姆（Gibbs-Duhem）关系189

734两相共存条件189

735相变的分类190

736克劳修斯-克拉珀龙（Clausius-Clapeyron）方程190

737范德华气体等温线192

738液固相变195

参考文献200

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第

1章热现象与热物理学

竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知。

——宋苏轼《惠崇春江晚景》

这首诗描述的是春回大地，桃花初放，江水回暖，群鸭嬉戏的情景。一个

“暖”字展现出了生命现象与热现象的密切关系。的确，热现象每天都发生在我们周围，热是生命得以延续的必不可少的重要因素。人类自诞生的那起，和热结下了不解之缘。春夏秋冬四季更替，气温的变化让人类学会了兽皮裹身、择洞而息等基本的生活能力，而文明的起源，则是从人类学会使用火开始的。古老的中国古代史中，燧人氏钻木取火使人类摆脱了茹毛饮血从而了华夏文明；在浪漫的西方传说中，普罗米修斯为人类盗来天火，使人类成了万物之灵。可以说，人类从出现在这个世界上的那一刻起，开始了对热现象的研究，经过了整个人类历史长河的发展，积累了大量的规律和知识，终形成了本书所要讨论的热学理论。

物理学是研究自然现象及其规律的科学称，而热学又称作热物理学，是物理学的一个重要分支。热学是物理科学中研究热现象规律以及热运动与其他运动形式相互转化规律的一门科学，它是人们在认识和研究热现象的过程中逐渐形成的。它的基本概念、基本定律和基本理论不但是物理学各分支学科的理论基础，也是化学、生物学、工程技术甚是社会科学的理论基础。

本章中我们首先从自然界中常见的热现象出发，给出热学的研究对象、研究内容以及它的理论结构。后补充两个学学所需要的数学知识。

1.1热力学是宏观热现象规律结

热力学是人们在不断追求美好生活的过程中产生的，它是宏观热现象规律结。经典热力学理论有着的历史，是从日常的生活经验结出来的。自从人类学会使用火之后，生活条件得到了极大的的使用为人类食用熟食创造了条件，让生肉生食逐渐远离了人类的餐桌，这在程度上延长了人类均寿命。在利用火的过程中，人们逐渐积累了关于热的手资料。人类的祖先很早认识到，刚刚在火上烧开的水不能直接饮用，否则会把嘴巴烫坏；人们慢慢地获得了一个经验，即不同物体的冷热程度可以相差很大，但是如果把罐中的开水放在石桌上等上一段时间，水的冷热程度会变得和石桌的冷热程度差不多。原始人对冷热程度的认识相对来说粗糙，但随着经验的积累，人们开始有意识地通过实验来研究这些热现象，冷热程度这个概念化成了温度，并建立了与之密切相关的热力学第零定律，成了热力学体系的基础定律之一。

仍然回到烧开水的例子，在水自动冷却到与石桌冷热程度一样的过程中，到底发生了什么事情呢一步的研究发现，事实上是水放到火上以后，从火中获得了一些能量，放到石桌上以后，这些能量以热的形式不可逆转地耗散到了石桌上，终都跑到了周围的环境中去了。也是说，能量可以从一个物体转移到另一个物体。钻术取火技术的发明让人们学会了对火的控制，极大地提高了人类的生活质量。通过对钻木取火过程的思考，人们认识到，付出劳动对外可以产生热量，终点燃柴，这变热的初经验。后来人们发明了水壶，带一个长长的壶嘴，可以方便地把热水倒出来。在用水壶烧水的过程中人们又有了新的发现：水沸腾后，水蒸气从水壶的壶嘴喷出，可以推动壶嘴前放着的叶片，也是水蒸气产生了动力，这启发人们可以用火或其他方法产生的热量来获得有，而不仅仅是让它耗散到环境中去。后来人们发明了热机，热机可以将部分热量转化，直接帮助人类劳动，也可以转化为其他形式的能量（例如提起重物，把能量转化成物体的重力势能）。热的这种互相转换的关系终演化成了热力学定律的规律，它告诉我们能量有不同的形式，热是能量的一种，形式多样的能量可以在不同形式之间转换，但在转换的过程量保持守恒。

经验还告诉我们，如果房间外面的气温比房间内部的气温高，房间的温度不会自动下降，相反会上升；当两个物体接触时，热的物体会冷却，因为热量会自发地由较热的物体向较冷的物体传递。那么在没有更冷的物体的情况下，没有办法让物体冷却下来吗？办法当然有，打开家里的空调，可以把热量从室内搬运到高温的室外去，这与物体的自发冷却过程刚好相反。后面的讨论我们会知道，要实现制冷过程我们是需要付出代价的，也是说我们必须提，比如给空调提供电力。人们发明了热机之后，为关心的一个问题是如何用少的热量来获得尽可能多，终发现，不管如何设计热机，热量都不可能

转化。这些现象表明能量的转化是有方向的，终人们把这个规结成了热力学定律。

随着低温技术的发展，人们发展出了各种产生低温的方式，人们可以获得的低温越来越一个低温的极限即零度。但是无论如何精巧的低温方法，都无法达到这个温度的极限。

1906年德国物理学家能斯特（W.Nermst）根据实验发现提出了热力学第三定律：不可能使一个物体冷却到温度的零度。

关于热现象的例子还有很多很多，所有这些现象都可以用热力学的四个定律所撑起的热学宏观理论来解释。热力学第零定律告诉我们，处衡态的热力学系统存在一个共同属叫作温度，它是热力学理论的一个核心概念。温度不能用力学中诸如质量、长度和时间等物理量表示出来，这也使得热学成了不同于其他物理学分支的一个重要组成部分。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热现象和规律，它提示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律，即热力学定律和热力学定律。热学的基本定律直接关系到前面提到的热机和制冷机的工作原理，这些定律告诉我们热量如何转化又如何转化为热以及在转化过程中所依从的规律。

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书籍介绍

本书系统地阐述了热物理学的基本内容，全书分为热现象与热物理学、热力学第零定律和温度、热力学第一定律和内能、热力学第二定律和熵、麦克斯韦-玻尔兹曼分布、输运过程的分子动力学基础、物态与相变共7章。采用了先介绍宏观理论再阐述微观理论的做法，这更符合初学者由现象到本质的认识过程。全书融入了人文素养、科学素养、科学精神和科学方法四个方面的基本要素，全面提升学生的基本素养。 本书可作为高等学校物理学专业、应用物理学专业、理科大类相关专业的教材和参考书。